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图2.17 正向偏压时电子流动
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既然二极管可以发光，那么我们就应该可以让它发出激光，在第一台激光器发明之后，科学家立刻开始了如何让二极管产生激光的研究工作。根据前面的描述，要产生激光还得有两面反射镜，使得光子在PN结中来回反射，诱发“受激辐射”。但是上哪儿找那么小的镜子可以安装到一个不到0.1mm2的PN结两端呢？聪明的研究人员想出了一个就地取材、不费一兵一卒的好法子，他们发现当半导体晶体的表面经过精确地切割和打磨以后，就像镜子一样具有极高的反射率。这样一个二极管的两端就可以做成两面天然的镜子（见图2.18）。从PN结中发出的垂直于这两个端面传输的光子会被来回反射，在PN结中激发更多的电子从高能级跳到低能级，并发出越来越多一模一样的光子，形成激光。一般来说，这两面“镜子”的折射率都差不多高，所以相同强度的激光可以从两个方向射出，我们通常看到的只是其中的一支。
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图2.18 二极管如何产生激光
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同样，激光二极管的构造也能解释为什么它发出的激光不是我们常见的纤细的一束光线，而是扩散得很大的一个光斑。我们在高中物理课上曾学过光的衍射，知道光波有个怪脾气（实际上所有的波动都有这个怪脾气），那就是当我们让一束光通过一个小孔时，孔径越小，光就散得越开。似乎是压迫得越厉害，反抗得就越强烈。我们可以看到，一个激光二极管的尺寸在0.1mm2以下，而其中真正产生激光的区域则还要小得多（见图2.19）。当激光从这个小的区域中射出时，根据光的衍射，自然就会产生很大的光斑。而在开始提到的氦氖激光器中，激光产生区域的尺寸与装有低压氦氖混合气体的中心玻璃管直径相当（约为0.5 cm），激光感受不到什么约束，所以产生的就是一束完美的细线了。从图2.19中我们还可以看到，二极管产生的激光在垂直于PN结的方向受到更多约束，从而那个方向的光斑扩散得更为严重。这也正是我们在图2.15中看到的现象。
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图2.19 为什么激光二极管产生的激光是一个光斑
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看到这里，读者可能有些不解：为什么我们平时买到的激光笔发出的光线都是细细的一束，光斑的尺寸即使照射到几百米以外的建筑物上也没有变得很大呢？这是因为在激光刚刚从二极管里射出还没来得及扩散得很大时，就遇到了一面焦距非常短（几毫米）的凸透镜，这面凸透镜把原本发散的激光变成了平行光。如果留意，在拆开激光笔的时候，还能看到这块位于二极管前的凸透镜。有的读者说，如果我没有这么好的运气，买不到一只这么劣质的激光笔的话，那我还能如此近距离地观察激光二极管的内部构造吗？这倒不用担心，网上有一种便宜的“可调焦激光二极管”（注意选5mW的那种），它的凸透镜安装在一个铜套上，可以通过旋转调节凸透镜与发光晶体的距离，也可以将凸透镜完全取下。我们可以利用这样的激光二极管来亲身体验图2.19所描述的现象。在后面有关全息照相的制作中，我们还要用到这种可调焦的激光二极管，所以先在这里跟它混个脸熟，以后用起来就不会陌生了。
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在“基本原理”那一节里，我们还提到了受激辐射产生的光子都具有相同的偏振性。有了前一章的知识和材料的准备，我们可以很容易地验证这一点（见图2.20）。而一般非受激辐射光源（如日光灯）就不会具有偏振性。
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图2.20 检验激光二极管的偏振性
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探索与发现
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鲁迅先生说过，第一个吃螃蟹的人是个英雄。世界上的事情往往如此，要从荆棘丛中开辟出正确的道路，先驱者们总是步履维艰，但是一旦这条路探明了，后来人就可以轻车熟路了。激光也是这样，在Towns先生、Maiman先生等一大批科学家和工程师的努力下，激光的理论和实践都已经非常成熟，后来人们就可以不太费力地创造出一些奇特的激光源来。前文提到的激光的先驱之一——物理学家Arthur Schawlow就制造出了一种可以吃的激光（“Edible Laser”），他在一种果冻中参入荧光材料，并把果冻放在两面镜子之间，通过外加光源诱发荧光材料发光，并通过镜子的反射形成激光。想象一下我们面前有一个正在发光的激光器，而且我们还能时不时地从发光物质里舀出一勺来放到嘴里嚼一嚼，这也许是一个优秀物理学家的童真所在吧！
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除了这种可以吃的激光源，另外一些奇特的激光源则对科学研究有着重要意义。2011年，几位生物医学的研究人员使得一些人体肾脏的细胞发出了绿色的激光（请搜索“Single—cell Biological Lasers”），他们往细胞里注入一些荧光蛋白质，把细胞放在细小的两面镜子之间，然后激发荧光染色体产生激光。这些细胞一直都处于活的状态，表明这个激光发射过程并没有对它们造成损害。这种技术可以使得荧光蛋白质附着的细胞结构非常明显，所以对于生物显微成像、观察细胞内部结构有着重要的应用前景。
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到目前为止，我们提到的激光源都是人创造出来的，然而宇宙中的激光源实际上早就存在，只等慧眼来识别，而最早具有这双慧眼的还是Towns先生以及他的同事们（Towns先生后来转向了研究星系中气体团的物质成分）。一般来说，天文学家都是通过观察光谱中的吸收谱线来判断光线所经过区域的物质成分，但是Towns先生在他的一次观测中，发现本来应该是被吸收掉的某一种频率的光反而得到了很大的加强。凭着他对Maser和Laser的深入理解，Towns先生很快就意识到，这一定是一种激光发射的过程。但是，难道造物主不知从哪儿买了两面硕大的镜子，相隔几万光年摆好了，然后再把一些发光的气体团放在里面吗？这个可能性比较低。Towns先生的理论是，这些气体中的分子被宇宙射线激发到了高能级状态，而且由于气体团的尺寸巨大，根本无需反射，一个光子也要在发光气体中经过漫长的（以光年计）的路程，诱发很多次的受激辐射，从而产生很强的激光。由于没有反射镜，这种激光向四面八方均匀地发射着（这种所谓的3D激光是激光领域的一个研究前沿，更多详情请搜索“Beyond The Beam:A History of Multidimensional Lasers”）。我们应该感谢造物主，如果他真的弄两面镜子，使得这些激光朝向地球发射，那也许是人类的一场灾难。
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激光还有许多有趣的性质，比如它具有极佳的相干性，这些我们都留待后面的实验与制作中去慢慢探索和品味了。
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[1].参见费曼《QED: The Strange Theory of Light And Matter》。
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[2].这个常数叫作普朗克常数，用h表示，h=6.63×10—34 J·s。频率的单位是1/s，所以h乘以频率等于能量。一个红光光子的频率大约是4.7×1014 1/s，所以其能量约为3.1×10—19 J，的确是很微弱的一束光啊！
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[3].参见Charles Townes《How the laser happened》中译本《激光如何偶然发现》。
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[4].注意，大部分这种廉价的激光笔都是可以工作的，但是很有可能当你第一次把电池塞进去时，它似乎不发光，而且笔杆变得很热。我就碰到过几次这样的情况。读者不用担心，这只是因为短路，电池的正负极被笔筒（一般是铜质的）直接连在了一起。读者只需仔细查看，找出笔内短路的那一点，很快就能让激光笔重获新生了。
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074927]